《建筑桩基技术规范》JGJ应用常见问题解析PPT课件

1 建筑桩基技术规范 JGJ94 2008应用常见问题解析 中国建筑技术集团有限公司 2009 11 中国建筑科学研究院 邱明兵 2 目录一 人工挖孔嵌岩桩1 概述2 竖向受压承载力性状3 工程桩检测4 某工程案例解析二 预应力混凝土管桩的挤土效应及有关问题三 地基整体稳定与地基承载力四 两类共同作用的基本概念五 抗浮设计应注意的问题六 剪力墙下布桩要点七 桩基础的抗震设计 3 1 概述 1 人工挖孔嵌岩桩适用及不适用范围每种桩型都有其适用条件 没有一种万能的桩型可以供工程师使用 判断人工挖孔嵌岩桩是否合适 可以参考以下几个方面 1 地质土层分布 上覆土层较浅 有完整性较好及强度较高的基岩 回填土最好应压实以避免施工中护壁脱落 岩溶发育地区应谨慎嵌岩 2 水文地质条件 如果是粉 砂类土 地下水埋藏应较深以保证施工安全 3 上部结构荷载 单桩承载力高 适合于荷载大的高层 以达到较高的经济性 如果荷载较小 那么会造成浪费 4 施工设备条件 没有水源的山区 制备泥浆困难 落后地区或国家 非洲 没有先进设备 5 在地下水位较高 有承压水的砂土层 滞水层 厚度较大的流塑状淤泥 淤泥质土层中 不得选用 一 人工挖孔嵌岩桩 4 2 人工挖孔嵌岩桩的工程特性释疑 摩擦型桩的桩间净距如何取用 人工挖孔的嵌岩桩 最小中心距2 5d中的d是否包含护壁尺寸 1 非挤土 2 嵌岩如图 新加坡港务局某10层仓库工程应用的一根嵌岩桩的桩顶荷载传递曲线 桩长l 10m 桩径d 1 35m l d 7 85 桩中心距2d 群桩效应使得桩身上段摩阻力发生蠕变 导致阻力下移 端阻荷载比为14 嵌岩段阻力比约40 5 如何执行 倾斜度大于30 的中风化岩 宜根据倾斜度及岩石完整性适当加大嵌岩深度 地面附近基岩由于风化情况复杂 常常在一栋建筑物范围内形成坡度急剧变化的岩面 如图 当桩基础必须嵌岩时 应合理设置嵌岩深度 并注意以下要点 1 嵌岩深度应从岩面下端起算 2 嵌入平整 完整的坚硬岩和较硬岩的深度不宜小于0 2d 且不应小于0 2m 3 对于嵌入倾斜度不大于30 的完整和较完整岩的全断面深度不宜小于0 4d且不小于0 5m 4 倾斜度大于30 的中风化岩 桩端至外侧岩面水平距离s不宜小于0 7d且不小于0 9m 仅供参考 6 2 竖向受压承载力性状 1 竖向受压的极限破坏模式 上覆土层段的破坏可能在两个界面上 1 桩芯与护壁界面 2 护壁与土体界面 实际总是在第2 界面破坏 7 实测桩侧阻力分布模式 1 如图 为美国L C Reese等在1969年发表的一根埋设测量元件的嵌岩桩的桩顶荷载随深度传递的实测曲线 上覆坚硬黏土层5 5m 嵌入黏土页岩3 2m d 0 76m l d 11 7 l h 4 2 端阻比例系数15 25 嵌岩段阻力系数约80 8 实测桩侧阻力分布模式 2 不管桩端是强风化还是微风化 桩端阻力都很小 嵌岩段提供了主要的侧阻力和总阻力 上覆土层提供的阻力约20 9 嵌岩长桩和非嵌岩长桩的实测比较 上覆土层为黏性土和砂土 二者竖向荷载下的桩身应力一致 说明长桩承载力性状与桩端持力层关系不大 上覆土层提供了主要的侧摩阻力 A3嵌入中风化泥岩2 2m60m A1未嵌岩55m 10 端阻比例系数5 20 11 12 8 5 5 3 当桩端嵌入完整及较完整的硬质岩中 可按下式估算单桩竖向承载力特征值 为桩端岩石承载力特征值 折减系数 此公式基于天然地基破坏模式 未考虑桩阻力传递机理 故仅适用于埋藏极浅 置于岩体表面的 qpa试验即是置于岩体表面 情况 多数工程中采用的浅层扩底基础属于这类情况 一般的 有一定埋深 嵌入岩体一定深度的桩基础 均不宜用此公式 否则计算承载力极低 将导致桩端直径增大或者桩数增多 13 释疑 1 人工挖孔嵌岩桩 端承 型 桩从上述表格中的数据来看 当桩稍长一些 则嵌岩桩也是摩擦型桩 因此不应当作端承桩仅计算端阻力 但配筋时宜全长配筋 2 基桩有没有最短长度或最小长径比的要求 有人认为基桩长径比很小的情况下 桩侧阻力就可以不用考虑 下图是美国费城自由广场一号塔楼下的一根嵌岩桩的长期观测资料 桩长8 8m 桩身上段直径3 0m 嵌岩段直径2 6m 观测数据表明始终有60 以上的荷载由桩侧承担 可见用最小长径比的概念来控制桩长并无意义 右图为某工程中长度为3m的桩 嵌岩段长2m 此桩按嵌岩桩设计而非端承桩 计入嵌岩段侧阻力是必要的 14 3 计算公式 令 则 为嵌岩段侧阻和端阻综合系数 15 释疑 1 嵌岩0 5米的桩按端承还是按嵌岩桩考虑 应按嵌岩桩考虑 从试验来看 嵌岩段桩侧阻力占比较大 不宜忽略 2 桩端进入较破碎岩时能否按嵌岩桩计算单桩竖向极限承载力 答 宜按碎石类土提供参数并计算 3 利用frk计算的单桩竖向极限承载力极高以至当地没有条件进行静载荷试验时 能否用检测frk来代替单桩静载荷试验 答 不能 4 嵌岩桩通过直径为0 3m岩基平板载荷试验确定极限端阻力标准值Quk 与采用饱和单轴抗压强度标准值frk计算的结果差异较大时 用哪个结果更为合理 宜以岩基平板载荷试验数据为主 计算桩承载力安全系数取2 计算地基承载力安全系数取3 但此时承载力极高 故可参考frk进行综合经验选取 从工程经验来看取用任何一个参数 结果均是以桩身强度控制 5 岩石单轴饱和抗压强度frk与混凝土强度标准值有何对应关系 岩样为圆柱体 50X100mm 混凝土立方体为150mm3 一般的圆柱体 150X300mm的fcu1 0 8fcu 50X100mm的frk对 150X300mmfrk1 尺寸效应系数约为1 15那么frk 1 15fcu1 1 15x0 8fcu fcu 16 frk与fcu 不同的工程意义 这是因为 1 frk要根据结构面开展情况 即完整程度 折减一定的系数 0 1 0 5 才能使用 而混凝土是不开裂的 故没有折减系数 2 当前frk仅用于抗压 并且要除以2后使用 其对应的荷载效应是标准值 混凝土强度则有多项指标 3 岩石受压后 同时是三向巨大侧限 围压 下工作 而混凝土的侧限是有限的 钢筋混凝土试件的抗压试验表明 围压能极大提高混凝土强度 而基岩应当同样如此 但目前的设计方法中还没有考虑此有利因素 当前的试验成果发现 基岩受压很难破坏 总是以变形控制为主 因此桩身强度常常成为控制因素 载荷板试验 等同于在半无限空间中的测试 有类似局压的效果 因此可以推测的是 其承载力要提高 这大概是载荷板试验数据偏高的原因 混凝土局压强度 17 完整岩试验 岩体结构面 吴其芳等通过孔底载荷板 d 0 3m 试验得到增大系数1 38 4 50 相应的岩石frk 1 2 5 2MPa 载荷板在岩石中埋深0 5 4m 18 与 94规范 的比较 第i层土的侧阻力发挥系数 当桩的长径比不大 l d 30 桩端置于新鲜或微风化硬质岩中且桩底无沉渣时 对于黏性土 粉土取0 8 对于砂类土及碎石类土取0 7 其他情况取1 0 08规范取消此参数 主要是考虑到基岩刚度愈大 侧摩阻力应发挥愈高 故侧阻力发挥系数应 1 0 偏于保守的取1 0 1 取消侧阻力发挥系数 19 2 调高嵌岩承载力综合系数 尤其是极软岩 软岩frk 15MPa 综合系数 清底干净的人工挖孔嵌岩桩 还应乘以增大系数1 2 20 嵌岩承载力综合系数比较 08规范的嵌岩段综合系数较94规范有所提高 但总体相对偏于安全 21 3 对于泥岩 不能用饱和单轴抗压强度 应取用天然湿度下的单轴抗压强度 4 94规范 以微风化 中风化对岩体分类 08规范 以完整 较完整对岩石分类 结构面愈密 强度愈低 实际应为 微风化 中风化 的完整岩 较完整岩 5 08规范 清底干净的人工挖孔嵌岩桩 还应乘以增大系数1 2 94规范 无 6 94规范 当嵌岩段为中风化岩时 表中数字乘以0 9折减 08规范 无 22 人工挖孔大直径桩 d 800mm 极限侧阻和端阻的尺寸效应 1 人工挖孔桩上覆土层端 在桩成孔后产生应力释放 孔壁出现松弛变形 导致侧阻力有所降低 侧阻力随桩径增大呈双曲线型减小 H Brand1 1988 本规范建议采用如下表达式进行侧阻尺寸效应计算 式中d 桩身直径 m 经验指数 对于粘性土 粉土 m 1 5 对于砂土 碎石土 m 1 3 对于嵌岩段侧阻 不需要考虑折减 2 端阻在基岩上 也不需考虑端阻的尺寸效应系数 23 人工挖孔嵌岩桩扩大头 扩底桩变截面以上2d长度范围内不计侧阻力 原因有二 1 施工中土壁应力松弛 2 受荷后扩大头下沉导致与斜壁托空 使得斜壁附近土体应力松弛 实测结果表明 按94规范计算的扩底桩承载力偏高 人工挖孔嵌岩扩底桩承载力 几乎不会在桩端土发生整体剪切破坏 总是以变形控制 24 人工挖孔桩的桩身强度 1 因假定护壁不连续 故不考虑护壁强度 仅计算桩芯面积 2 因护壁施工可见 桩基质量能有效控制 故成桩工艺系数较其他桩型高 取0 9 3 人工挖孔嵌岩桩通常全长配筋 当桩较短且粗时 箍筋加密区未设置5d 故就不利用纵筋强度 释疑 1 JGJ94 2008第6 6 6条护壁配筋直径不应小于 8 是否可据土质情况好坏酌减 可以 比如北京地区一般土质较好 最小直径取6mm 北京地标 箍筋加密区5d时 25 2 护壁砼标号与桩填心同一标号 护壁施工每段进行振捣密度变困难 且形成大量施工缝 按施工缝处理达不到要求 不能整体起共同作用 是否不考虑护壁参加计算 即可降低护壁砼标号 桩身承载力计算取内径而不包括护壁厚度 那么设计可要求护壁混凝土按C30 C40配料 施工后护壁混凝土取芯强度达到C15也是允许的 3 为何竖向承载力计算时有时用桩身直径 有时用护壁外直径 计算桩身强度用桩芯直径 计算土对桩的支撑力用护壁外直径 4 地基基础设计规范 中桩身强度计算 工作条件系数灌注桩取0 6 0 7 是强规 桩基 中5 8 2条 灌注桩取0 9 应按哪条取值 按 桩基 取值 26 人工挖孔嵌岩桩的检测 1 工程桩应进行承载力和桩身质量检验 当竖向承载力过大时 并不适合做静载荷试验 堆载平衡或锚桩平衡 2 单桩竖向极限承载力标准值 极限侧阻力标准值和极限端阻力标准值应按下列规定确定 1 对于大直径端承型桩 桩端为非基岩时 如卵石层 也可通过深层平板 平板直径应与孔径一致 载荷试验确定极限端阻力 某些情况下 平板直径可能不与孔径一致 其实测值较实际值偏低 等于说偏于安全 2 对于嵌岩桩 当桩端置于基岩顶面时 可通过直径为0 3m岩基平板载荷试验确定极限端阻力标准值 qpk 当桩端进入岩层一定深度时 宜通过直径为0 3m嵌岩短墩载荷试验确定嵌岩段极限侧阻力标准值和极限端阻力标准值 见 地基规范 附录H 对应的设计方法应为 3 用其他方法 如自平衡法 测得桩侧摩阻力 27 1 工程概况贵州某住宅楼 26981m2 为1 30 1 32层 采用框支剪力墙结构 柱网间距7 6x8 5m 主楼单柱最大轴力为30000KN 柱 设计值 裙楼单柱最大轴力为4500KN 柱 设计值 注 如果该设计值取自SETWE 底层柱墙内力 则应 1 25 作为与桩基承载力特征值Ra对应的荷载参数 2 场地特性该项目场地由于受附近断层活动影响 岩体差异变化较大 所在地块同时存在中风化泥岩 fak 1200Kpa 强风化泥岩 fak 500Kpa 和中风化灰岩 fak 5000Kpa 几种承载力差异较大的岩体 通过自平衡法在泥质单元进行基桩静荷载试验 得出各项力学指标 强风化泥岩端阻力特征值795Kpa 侧阻力特征值335Kpa 变形模量43 2Mpa 中风化泥岩端阻力特征值1650Kpa 侧阻力特征值225Kpa 变形模量79 7Mpa 工程案例贵州某住宅楼挖孔桩设计剖析 28 29 3 承载力计算 剖析 对桩芯直径2m和1 5m的桩 护壁150mm 进行计算 2m单桩承载力特征值 按非嵌岩桩公式计算 说明 1 上述方法为按护壁外侧计算桩侧摩阻力 应改为 计算承载力至少应提高50 2 是按干作业钻孔工艺提供的参数 有沉渣 实际宜按 预制桩 提供参数或者通过载荷板试验确定 如果 30 干作业挖孔桩 清底干净 D 800mm 极限端阻力标准值 缺软质岩参数 可参考表5 3 5 2 混凝土预制桩 参数 31 1 5m单桩承载力特征值 按非嵌岩桩公式计算 说明 1 上述方法为按护壁外侧计算桩侧摩阻力 应改为 计算承载力至少应提高15 因不是按嵌岩桩公式计算 故不能乘以清底系数1 2 计算承载力至少应提高46 如果 2 是按干作业钻孔工艺提供的参数 有沉渣 实际宜按 预制桩 提供参数或者通过载荷板试验确定 32 4 桩基布置 1 见桩基平面布置图 2 见基础结构平面图优化建议 鉴于嵌岩桩承载力潜力较高 变形极小 建议提高桩基承载力 使得桩基在柱下 墙下布置 那么承台高度可以降低 或者承台取消 理论上讲 人工挖孔嵌岩桩 总是可以做到柱下 墙下布桩 这是因为 上部结构柱截面由轴压比控制 Ns传递到桩顶 作用到桩身 那么一般而言 只要 1 桩基承载力由桩身强度控制 2 人工挖孔嵌岩桩的桩芯面积大于柱截面面积 一般都很容易满足 抗震等级高的构件 桩芯面积要求大一些 那么一柱一桩就够了 33 所以问题的关键在于 如何使得桩基承载力由桩身强度控制 这就要求 1 充分发挥上覆土层的侧摩阻力 计算时应取护壁外径 2 充分发挥嵌岩端侧摩阻力 嵌岩深径比 较硬岩 坚硬岩在1 0左右经济效益比较好 对于较软岩则在1 3左右 极软岩 软岩则可能在4左右较为经济 当承载力需要时 也可加深 但嵌岩段承载力提高有限 3 桩芯混凝土强度可用到C40 工程结构柱常用C50混凝土 相应的桩芯混凝土强度提高 可有效提高桩身承载力 4 计入清底干净的提高系数1 2 同时对施工单位提出相应的要求 34 重点 按桩芯强度控制的设计过程 1 按最小施工桩芯直径计算承载力 一般取C40混凝土 记忆 如桩芯 800 如桩芯 900 如桩芯 1000 如桩芯 1500 35 2 根据桩身强度设计相应的嵌岩深度 一般的 较硬 坚硬岩hr d 1可满足 极软 软岩 hr d大于3 5 较软岩130MPa 这说明 a 从某种程度上讲 较硬 坚硬岩嵌岩深径比大于1几乎是没有效果的 b 那些在较硬 坚硬岩中的扩底桩 如果进入岩层达到1d的 并无必要扩底 假设无上覆土层的极软岩 软岩 仅用嵌岩段阻力 那么用C40混凝土 hr d 4 那么因极软岩 软岩 故深径比应大于3 5方能使得桩身强度充分发挥 这要求对于极软岩 软岩应充分发挥上覆土层侧摩阻力 对于较软岩 15 frk 30 深径比1 3之间较为合理 36 3 上部结构荷载用标准值 与桩基承载力特征值对应 上部结构荷载设计值 与桩身强度对应 选择合适的桩径 通常一个项目中 2 3个桩径即可满足工程需要 无上覆土层的最大嵌岩深度 当上覆土层的有一定厚度时 需要的嵌岩深度会更浅 务必计入上覆土层提供的侧摩阻力 37 二 预应力管桩的挤土效应及有关问题 随着施工技术发展和经验积累 近些年管桩从沿海软土地区向内陆非软土地区蔓延 由低烈度区向高烈度区蔓延 同时也出现了不少工程事故 设计及施工应掌握其中原理并积累相关经验以有利于该桩型的发展 1 按挤土程度分类与混凝土灌注桩比较 预应力管桩无泥皮 沉渣 从这个角度讲 其单桩竖向承载力应比灌注桩高 但管桩是挤土施工 不可避免的扰动原状土 使地下水渗流变化 破坏整个场地原有的应力场 使之失衡 从而导致诸多工程问题 由于挤土效应这是管桩工程事故较多的原因之一 因此有必要根据挤土程度分类 1 挤土桩 闭口管桩 2 部分挤土桩 开口管桩 引孔施工的管桩 3 非挤土桩 38 一般而言 1 如果选择管桩 那么在有条件的场地 地区 应使用部分挤土桩 2 用大口径空心桩 3 长桩 这能较大程度上减少挤土效应 同时在一定程度上保留了管桩侧摩阻力和端阻力较灌注桩高的优点 挤土量的比较 39 2 挤土施工场地土的影响挤土施工将在引发场地土在施工期间发生以下变化 1 扰动原状土体 对于对于高灵敏度的软土 可能破坏土体结构 2 饱和软粘土中引起较高超孔隙水压力 对周围设施产生不利影响 3 改变场地渗流规律 大面积挤土施工当沉桩速率过快将改变原有渗流规律 使得水压力发生变化 4 土体偏离原位 朝场地外扩展 同时场地隆起 土体位移及引发的破坏 40 41 3 场地土变化对桩基础沉降及承载力的影响桩基础工程中是通过考察桩基承载力 沉降量以及施工期间土体位移来评价桩型选择的合理性 因此可以将场地土变化对桩基础沉降 承载力及施工期间对周围环境的影响称为挤土效应 1 挤土对桩基试桩承载力的影响 突变型 桩端脱空 陡降型 预应力混凝土管桩的静载荷试验Q s曲线多数 除桩端嵌岩以外 呈现陡降型的特征 这与 1 预应力管桩应用的场地多为软土有关 2 可能与桩直径较小有关 42 预应力混凝土管桩竖向抗压承载力的计算及说明当根据土的物理指标与承载力参数之间的经验关系确定敞口预应力混凝土空心桩单桩竖向极限承载力标准值时 可按下列公式计算 此公式计算基于以下假定 1 土体未扰动 桩与土体紧密接触 故侧摩阻力较泥浆护壁的高 2 桩端与持力层紧密接触 土塞效应方能发挥 3 未计入土体再固结形成的侧摩阻力增强效果 挤土恢复的时效性是双刃剑 随着时间推移 场地土恢复稳定 但这个时间可能长达一至数年 在这个过程中虽然侧摩阻力增加 但是沉降也在增加 设计提高基桩承载力那么桩数将减少 导致实际总沉降增加 同时由于再固结可能导致承台底脱空 那么荷载全部由桩承担 也可能额外增加沉降 43 预应力混凝土管桩qsk qpk 44 45 2 挤土对桩基沉降的影响 建筑物关注的是桩基长期沉降量 沉桩结束后 孔隙水压力逐渐消散 土体再固结 建筑物随之下沉 对于土层分布比较均匀的场地 再固结在平面内较均匀 将不增加建筑物两点间差异沉降 但对建筑物总沉降产生较大影响 46 饱和土中采用预制桩 不含复打 复压 引孔沉桩 时 应根据桩距 土质 沉桩速率和顺序等因素 对按等效作用分层综合法计算的沉降乘以1 3 1 8挤土效应系数 土的渗透性低 桩距小 桩数多 沉桩速率快时取大值 47 天津某工程沉降实测资料 住宅 地下1层 地上9层 异形柱剪力墙结构 预应力管桩 上图为竣工时沉降 Smax 39mm 48 住宅 地下2层 地上27层 剪力墙结构 灌注桩后注浆 上图为竣工时沉降 Smax 17mm上面两栋楼位于同一小区 虽然桩基础提供了等效的承载力 但沉降差别相当大 可见荷载量大并不是产生大沉降量的主要因素 主要还是挤土效应 49 4 减小挤土效应的措施 1 设计措施 增大基桩的最小中心距 50 2 施工措施 1 可用预钻孔来减少排土量 预钻孔孔径可比桩径 或方桩对角线 小50 100mm 深度可根据桩距和土的密实度 渗透性确定 宜为桩长的1 3 1 2 通常预钻孔深度范围内地基图体内的超孔隙水压力可减小40 50 地基变位可减小30 50 2 应设置排水措施 如袋装砂井或塑料排水板 可提高土的在施工期间的压缩性 袋装砂井直径宜为70 80mm 间距宜为1 0 1 5m 深度宜为10 12m 塑料排水板的深度 间距与袋装砂井相同 其目的是改善地基土的排水特性 加快孔隙水压力的消散 防止砂土液化 51 3 可在沉桩区内外开挖地面防震沟或应力释放孔 并可与其他措施结合使用 防震沟沟宽可取0 5 0 8m 深度按土质情况决定 可减小浅层土体的挤土效应 对于深基坑效果有限 4 管桩施工不能抢工期 应限制每天的沉桩数量 即打桩速率 合理安排沉桩流程 使得超孔隙水压力能及时消散 在软黏性土中 沉桩速度过快 不但显著增加水压力 地基土变位 还可使得邻近土体剪切破坏 施工顺利则影响水力梯度的大小和方向 实测表明 地基变位方向与沉桩施工方向一致 5 沉桩结束后 宜普遍实施一次复打 使桩端置于持力层上 能充分发挥桩端土体承载力 还可随时间增长 52 3 基坑开挖1 基坑开挖前应对边坡支护型式 降水措施 挖土方案 运土路线及堆土位置编制施工方案 若桩基施工引起超孔隙水压力 宜待超孔隙水压力大部分消散后开挖 2 基坑施工顺序宜先深后浅 场地土允许的地区应先开挖基坑 后沉桩 3 挖土应均衡分层进行 对流塑状软土的基坑开挖 高差不应超过1m 4 挖出的土方不得堆置在基坑附近 5 机械挖土时须避开桩位 行进路线须避开桩位且距离桩位一定距离 否则应采取其他措施确保基坑内的桩体不受损坏 4 施工监测1 对于挤土预制桩和挤土灌注桩 施工过程均应对桩顶和地面土体的竖向和水平位移进行系统观测 若发现异常 应采取复打 复压 引孔 设置排水措施及调整沉桩速率等措施 2 沉桩过程中应加强邻近建筑物 地下管线等的观测 监护 53 5 预应力管桩施工常见问题及处理措施1 平面偏位 桩身完整性为I II类 措施 处理承台 尤其对一柱一桩和二桩的情况 见武汉某工程实例 2 桩身开裂 对水平承载力有影响 措施 a 灌芯 b 补桩 见唐山某项目 3 桩端未到设计标高 桩长未满足设计要求 措施 a 预钻孔 b 保留该持力层 处理类似问题应着眼于对承台和上部结构的影响 a 承台内力与原设计不同 b 建筑物沉降可能不均匀 54 4 沉桩终压力与设计不符 沉桩终压力Rsm与极限承载力Quk关系按地区经验较为真实 终止压力与土层分布特性密切相关 应注意当地土层分布特点 a b c 规范 最大压桩力不宜小于设计的单桩竖向极限承载力标准值 必要时可由现场试验确定 可根据地区静压经验确定 55 5 桩端封口的必要性 预应力管桩桩端持力层土体可能因渗水而影响承载力 1 原为非饱和土 因含水量增加而降低承载力 当桩较长时承载力以桩侧摩阻力为主的 这种不利效应影响较小 2 桩侧持力层为粉 细砂时 可能因水头压力而使之流失 局部掏空 3 桩端嵌入遇水易软化的强风化岩 全风化岩 则会极大的损失承载力 为避免地下水对桩端持力层的影响 应用闭口桩且填芯 在施工第一节桩时即对桩端以上2m左右范围内灌入微膨胀细石混凝土 封闭以防止渗水 鉴于当前预应力混凝土管桩挤土产生的一系列问题的复杂性 故应强调在实践中总结经验 强调地区经验的重要性 56 1 偏心荷载下的承载力理论的基本图示 主应力线 整体失稳示意 三 地基整体稳定与地基承载力 57 2 整体失稳 1 实例1 巴西某十一层大厦 1955年始建的巴西某十一层大厦长25m 宽12m 支承在99根21m长的钢筋混凝土桩上 1958年大厦建成后 发现其背后明显下沉 1月30日 该建筑物的沉降速度高达每小时4mm 晚8时许 大厦在20s内倒塌 后查明该大厦下有25m厚的沼泽土 而其下的桩长仅有21m 未深入其下的坚固土层 倒塌是由于地基产生整体剪切破坏所致 58 2 实例2 加拿大特朗斯康谷仓 建于1914年 该谷仓由65个圆柱形筒仓构成 高31m 宽23 5m 其下为钢筋混凝土筏板基础 由于事前不了解基础下埋藏有厚达16m的软粘土层 谷仓建成后初次贮存谷物达27000t后 发现谷仓明显下沉 结果谷仓西侧突然陷入土中7 3m 东侧上抬1 5m 仓身倾斜近27o 后查明谷仓基础底面单位面积压力超过300kPa 而地基中的软粘土层极限承载力才约250kPa 因此造成地基产生整体破坏并引发谷仓严重倾斜 该谷仓由于整体刚度极大 因此虽倾斜极为严重 但谷仓本身却完好无损 后于土仓基础之下做了七十多个支承于下部基岩上的混凝土墩 使用了388个50t千斤顶以及支撑系统才把仓体逐渐扶正 单其位置比原来降低了近4 0m 59 3 实例3 上海莲花河畔景苑7号楼钢筋混凝土剪力墙结构 地上13层 地下一层 基底为淤泥土 承载力约6t 条形基础 预应力混凝土管桩 桩长约30m 桩数112根 倾覆后桩完全折断 事故原因 60 3 检视 规范 规定 1 非岩石地基的基础 最小埋深0 5m 应满足承载力 变形 稳定性要求 筏基则大于1 15H 桩筏则大于1 18 1 20H 需要指出的是 非岩石地基的基础埋深 应与抗震设防烈度 地基土性质相关 当设防烈度高且场地土为四类时 应适当加深 对于桩基础不宜小于1 18H 2 岩石地基 无最小埋深要求 承载力 变形 稳定性容易满足 当基础置于岩面时 仅需满足抗滑移要求 在非岩石地基土上 高层建筑应设置地下室 高层建筑无地下室 通常基础搁置在基岩上 从以上阐述可见 抗滑移总是满足要求 故不管有没有桩 均不存在滑移问题 也不需要加厚桩顶承台 大直径桩设计只要考虑其承载力即可 抗滑移验算示意图 61 4 地下水对地基承载力的影响 计算桩顶作用时 是否需要减去水浮力 天然地基承载力验算公式为 地下水位在基底时验算公式为 地下水位在基底以上时验算公式为 如持力层为中砂 当水位上升至地面时 a 62 可见 当水位上升时 图 a 天然地基承载力降低10 d d 0 5 同时荷载减去水浮力之后的总压力减少10d 总体而言 地下水位上升 承载力较低幅度大一些 地基土质也好 幅度更大 但多数情况还难以从根本上改变不等式的方向 对于桩基础 地下水位从承台底上升 图 b 基桩承载力并不降低 这是因为基桩计算承载力与承台周围土体重度的无关 如果水位常年稳定 那么荷载减去水浮力是可行的 从某种程度上讲 这可以减少桩数 b 63 四 两类的共同作用的基本概念 一 竖向荷载作用的的共同作用 第一类共同作用 竖向荷载作用下建筑结构中的参与共同作用有三个要件 上部结构 筏形承台和桩土体系 其中上部结构靠整体抗弯刚度参与工作 筏形承台靠自身截面抗弯刚度参与工作 桩土体系靠桩 土相互作用提供的竖向支撑刚度参与工作 三者共同作用 协调变形 第一类共同作用示意 64 1 框架结构整体抗弯刚度 a 梁弯曲变形引起的节点转动 b 梁弯曲变形引起的层间转动 c 柱弯曲变形引起的层间转动 65 2 钢筋混凝土剪力墙结构整体抗弯刚度 引用上述框架结构整体抗弯刚度计算方法 因墙肢线刚度较连梁大的多 故可忽略墙肢弯曲变形引起的节点转动和跨间转动 仅计算连梁弯曲引起的跨间转动 66 3 基础结构 筏板 整体抗弯刚度 均匀布桩或天然地基时 中心沉降是角点的3 0 3 7倍 刚度则是1 3 0 3 7 4 桩土体系竖向支撑刚度 67 5 整体抗弯刚度比较1 从计算结果可以看出 厚1 5m的筏形承台 其整体抗弯能力是一层单跨框架的70倍 2 厚1 5m的筏形承台 其整体抗弯能力与二层单跨剪力墙相当 3 当筏形承台跨数更多时 其等效整体抗弯刚度将随计算长度的约三次方幂趋势降低 4 剪力墙结构整体抗弯刚度极大 抵抗差异变形的能力极强 68 水平力作用下的共同作用 拟静力m法手工计算复杂 过程冗长 作者根据规范附录C编制程序 需要明确的是 附录C中是将承台 地下室 侧壁土 桩 桩侧土作为整体分析的 二 水平荷载下的共同作用 第二类共同作用 69 基桩水平受荷模型 弹性地基梁模型 令 令 1 基桩水平受荷模型 水平变形系数 可用级数展开求解 求解过程略 70 2 两个重要参数 M MN m4 地基土的水平抗力系数的比例系数 1 m 桩的水平变形系数 0 5 0 7 弹性桩基桩弯矩和剪力及桩顶位移 3 刚性桩 半刚性桩 弹性桩刚性桩 2 5 h半刚性桩 4 0 h 2 5 弹性桩 h 4 0 演示程序使用 71 二种分析模式的比较 此外 现为广大工程师所熟悉的SETWE软件 引入了地下室侧壁土体的水平抗力系数的比例系数m 来考虑结构物与土体的共同作用 程序在 地下室 参数对话框中提供了侧壁回填土的m值的输入接口 需要明确的是 这里是将结构 地下室 侧壁土作为整体分析的 与规范附录C的区别见下图 二者的共同点是均利用了岩土工程中的重要参数m来考虑的承台侧壁土对水平地震作用的分担效果 72 五 抗浮设计应注意的问题 1 抗浮设防水位如何取值比较合理 基础工程设计时当地下水位较高时 应进行抗浮验算 近年来由于对抗浮水位的确定不合理以及抗浮桩设计不合理而导致的建筑物上浮事故已有多起 造成极大的经济损失 此外抗浮水位设置过高 对工程造价有重大影响 因此合理确定抗浮水位是个重要的问题 抗浮设防水位是岩土工程师综合建筑基础埋置深度 场地岩土工程条件 地下水类型及赋存状态 含水层分布 区域性气候资料 地下水补给排泄条件等等 提出的合理化建议 需要明确的是 在有渗流时 地下水的水头宜通过渗流计算进行分析评价 对节理不发育的岩体宜通过实测数据确定 有确切经验时可根据经验确定 有工程师认为将历年最高水位作为抗浮设防水位是安全的 并不竟然 徐州某地下水泵房建于山腰基岩上 山顶人工湖面距水泵房基底高差大于7m 勘察期间未见地下水 工程师未按抗浮设计 建成后局部浮起 造成泵房整体倾斜 究其原因是因为施工爆破基岩 造成基岩裂隙 形成贯通的地下水 对基底产生巨大压力 对于此类工程在施工中发现地下水 即应砌筑水井以观测水位 并以稳定水位作为抗浮设防水位 73 2 抗浮水头压力的确定当前抗浮设计 习惯将水头压力直接作用于基础底板作为抗浮设计水位 这是不合理的 为使抗浮设计更经济 应区别对待水头压力 当基础埋置在分布稳定且连续的含水层土中时 基础底板承受水头高度为h的水浮力 图 a 当埋置在非饱和隔水层中 且采取措施保障地基土工作期间始终处于不饱和状态 则认为基础底板不受上层水的浮力作用 图 b 若隔水层饱和则应考虑浮力作用 但宜计入渗流作用 对水浮力进行折减 图 c 折减水头应由有经验的勘察单位确定 a 置于透水层中 b 置于非饱和隔水层中 c 置于饱和隔水层中 基底土质不同对抗浮设防水位的影响 74 3 几种抗浮措施降低抗浮水位 结构用无梁楼板 用机械停车替代两层地下车库 增加配重 素填土 素混凝土 钢渣混凝土其中素填土具有良好的经济效益 抗拔桩 小直径短桩 后注浆长桩 扩底桩抗浮锚杆 用于基岩较浅场地 工程中应根据实际情况选择其中一种或两种组合的抗浮方案 不要拘泥于一种方式 通常一个经济合理的抗浮方案均是采取多项措施的结果 4 抗浮的安全度问题 长久以来抗浮的安全度并未得到足够重视 常常引发工程事故 首先 荷载分项系数以前取0 9 现在取1 0 导致荷载项没有安全储备 再者 结构自重取值偏大 某些地下车库工程每层结构自重取13kN m2 实际上 结构自重仅有梁板及面层 往往达不到 抗浮水位一般取值比勘察时期水位高1 2m 但当丰水期水位达到地面时 水浮力往往大于结构自重 75 需要指出的是 用配重抗浮的设计 其安全系数仅为1 0 采用抗浮桩或者抗浮锚杆的 安全系数为2 0 这是工程师要重点重视的 此外 基底土层的隔水性相当关键 如果基底土层为非隔水层 如粗砂等 那么实际水头浮力则与静水压力相当 同时用配重抗浮 那么安全系数仅为1 0 如果没有其他措施 一旦丰水期使得地下水上升 可能使得建筑物上浮 5 抗拔桩 锚杆 布置应注意的问题 抗浮桩的设计关键在于布桩 工程实践中 根据单桩抗拔承载力特征值与浮力超重部分相平衡的原则 设荷载标准值换算的均布荷载为40kN m2 水浮力90kN m2 那么布桩所需抵抗的浮力为50kN m2 由此可能出现图 a b 两种布桩模式 在假定基础筏板刚度极大的情况下 桩顶反力均匀分布 这两种方式并无不妥之处 通常筏板厚度在设计时并不是根据刚度来确定板厚 基础筏板刚度并不足以调整桩顶作用的均匀分布 虽然按桩顶承担均匀的拉力来设计 但用于筏板受到极大的浮力上拱 使得靠近柱的基桩分担的浮力较小 而远离柱的基桩分担的浮力偏大 76 b 均布于筏板下 a 集中于柱下 抗浮桩布桩模式 77 筏板刚度愈小 这种不均匀分布的趋势则更为剧烈 极端的 当筏板抗弯刚度为0时 可以发现柱以外的基桩所平衡的水浮力并不是计算的50kN m2 而是90kN m2 工程实践中已经发现因为不合理布桩设计导致的工程事故 某些工程采用预应力管桩抗浮 少数基桩远离柱布置 那么这些基桩则率先破坏 从而余下的基桩被各个击破 导致抗浮桩设计失败 因此应避免采取 b 方案 而应尽量将桩布置在柱下 基础梁下 6 抗浮锚杆可否当作支座 当抗浮锚杆具备足够刚度时 可当作弹性支座 弹性刚度宜由抗拉试验确定 可极大减小基础梁板配筋 7 主裙相连的建筑物 裙房采用桩基础抗浮时 应用短桩 78 六 剪力墙下布桩要点1 剪力墙下布桩与承台设置对于钢筋混凝土剪力墙下布桩的问题 应重点把握以下几点 1 应尽量做到剪力墙下布桩 剪力墙自身具备极大抗弯刚度 可视为承台 2 地震作用下剪力墙承受巨大的倾覆弯矩 因此在较长的墙肢两端应布置基桩 如图 79 3 多层剪力墙结构未设置地下室时 考虑钢筋锚固和施工方便以及局部受压的问题 宜设置条形承台梁 如图 a 4 多层剪力墙结构设置地下室时 若采用墙下布桩 则抗水板常取200 250mm 此时可参考图 a 设置条形承台梁 当抗水板厚达400mm时 则可在墙下设置暗梁 图 b 5 高层剪力墙结构 常因基础埋深要求设置地下室且由于要承受基底反力 筏板厚度不小于400mm 此时按图 b 设置暗梁即可 a b 剪力墙下条形承台梁构造 80 2 短肢剪力墙下布桩的合理化建议上部结构采用短肢剪力墙而又不能墙下布桩 按荷载重心与桩群形心重合的原则 工程中常常形成类似图 a 的布桩模式 致使承台的抗冲切承载力 抗剪切承载力以及弯矩计算都极为困难 a 未优化设计 81 工程师在进行结构设计时即应当预见到这种情况 从而采取有效措施 1 选择承载力更大的桩型 根据调查发现 出现上述不利情况的多数采用预应力管桩 管桩桩长有限 承载力低 需要桩数多 桩距要求也大 自然无法做到墙下布桩 因此选择灌注桩 增加桩长 再用后注浆提高承载力 自然能墙下布桩 如图 b 严格的说此时荷载重心与桩群形心并不重合 但由于结构刚度参与及承台 基桩变形协调后 会重新获得平衡 实践证明 这种方式也具有更好的经济性 2 按复合桩基设计 当地基土质较好 可考虑按复合桩基设计 c 如15层的剪力墙结构 总荷载225kPa 地基土承载力特征值140kPa 承台效应系数取0 6 那么可减少桩数37 原5桩承台可按3桩承台设计即可 此时筏板厚度应满足冲切承载力要求 b 加大基桩承载力 c 按复合桩基设计 82 3 补充墙肢 使原结构墙肢加长 便于墙下布桩 对于无地下室的短肢剪力墙结构 可以在地面以下至承台底面高度范围加设墙体 将独立墙肢联系起来如图 d 兼具承台梁的作用 由于这类梁高通常达1 5 2m 具有较大刚度 完全可以作为承台使用 按连续深梁计算即可 一般此类深梁按构造配筋均可满足要求 多数情况下短肢剪力墙结构会设置地下室 则可延长墙肢 留出洞口如图 e 仍然可以墙下布桩 一般地下室高约2 5 3m 而悬臂部分1 2 1 5m 按悬臂深梁分析 多数按构造配筋即可 d 连接墙肢 无地下室 e 延伸墙肢 有地下室 短肢剪力墙的布桩 83 释疑 1 大直径桩需要在桩顶以下5d范围内箍筋加密么 规范规定一般在桩顶以下5d范围内加密箍筋 当不需要计入钢筋强度时 可仅加密至3d范围 特别的 对于人工挖孔嵌岩的大直径桩 一般直径在1 2 2 5m 当位于6度区时 确实没有必要将箍筋加密至3d 一般加密1 5 2m即可 2 当设计中不满足 边桩中心至承台边缘的距离不应小于桩的直径或边长 且桩的外边缘至承台边缘的距离不应小于150mm 边桩中心至承台边缘的距离不应小于桩的直径或边长 是一种历史沿袭的做法 正是在这种做法的基础上 进行了若干试件的试验 其经验系数也是与此构造密切相关 所以没有特殊情况 宜满足此要求 当新建建筑紧邻旧建筑 承台边缘宽度无法满足上述构造时 则应验算角桩抗冲切承载力满足 当抗冲切承载力不满足时 则应加厚承台 3 此外对大直径桩是否必须满足 边桩中心至承台边缘的距离不应小于桩的直径或边长 大直径桩承载力高 一般为柱下一桩或者二桩 此时桩的外边缘至承台梁边缘的距离不应小于75mm 对于二桩承台应注意验算抗剪切承载力 当为三桩承台时 桩的外边缘至承台边缘的距离不应小于150mm 并注意验算角桩抗冲切承载力 84 七 桩基础抗震设计桩基础结构破坏 地基土失效以及桩基整体失稳 常常引起上部结构的整体性破坏 地震引发桩基沉降 倾斜 桩基结构轻度受损 将影响正常使用和使用寿命 因此桩基础的抗震 应从建筑物整体抗震的角度出发 确定相应的抗震设计原则 采取相应的抗震构造措施 进行相应的抗震计算 以达到抗震设防目标 从1976年唐山地震建筑震害的调查结果表明 桩基建筑与其他基础形式的建筑物相比 前者震害明显较后者为轻 换言之 桩基对于降低上部结构的地震反应起到明显作用 桩基础自身的震害也较浅埋的独立基础 条基为轻 但是从我国和其他多地震国家特别是1995年日本阪神地震震害调查分析表明 桩基的震害仍然不少 桩基震害与地质条件特点密切关联 上部结构形式与荷载特点 桩基抗震设计的合理性也是重要的影响因素 就地质因素而言 大体可以分别按非液化土和液化土两大类土中的桩基进行阐述和分析 85 一 震害特征1 非液化土中桩基的震害 1 软土中桩基的震陷设置于深厚软土中且桩端未进入良好持力层的基桩 地震时因软土触变桩侧阻力降低 桩端发生刺入式破坏 桩基发生突陷 如1975年墨西哥城地震时一座16层高的桩基大厦产生3 4m的震陷 该建筑打入火山灰沉积软土层 土的压缩性和含水量极高 桩侧 桩端持力层相近 从而导致在地震作用下引起外部荷载增加 基桩抗力降低的双重不利因素下发生突陷 我国1976年唐山地震 发生过望海楼软土地基上3 4层住宅筏形基础的10 50cm的震陷 主要是由于该住宅区场地软土地基容许承载力为30 40kPa 而实际采用57kPa进行设计 形成地基土较大的塑性区 震前沉降达25 85cm 倾斜最大达19 8 地震时在静荷载与地震作用力共同作用下 引起塑性区进一步开展 土体震陷 1976年唐山地震时 天津市桩基建筑震陷量一般不超过1cm 其主要原因是天津软土层性质相对较好 桩端进入较好持力层所致 86 2 软硬土层交界面处基桩的破坏唐山地震中 采煤井多在8 10m处开裂 经调查在该地区 地层上下均为砂层 8 11m间有一层粉质粘土层 据华北勘察院资料 砂的波速实测为330 525m s 粉质粘土的波速实测为245 293m s 二者相差较大 在地面运动过程中 会对井筒产生反复作用 致使井筒局部开裂 如图 为新泻地震中开挖调查的基桩破坏之一 该承台埋深约1 7m 桩长约11m 桩端持力层在中密的砂层上 在距承台下3m左右的松散砂层中夹着一层稍密砂 距承台下8m左右的稍密砂层中夹着一侧松散砂 震害表明 在这些N值突变的地方 基桩发生了弯剪破坏 基桩桩身破坏 87 根据基桩在分层土体中地震响应的初步研究 在土层水平刚度突变处 桩身弯 剪应力加大 因此在这些部位应加强箍筋和纵筋的配置 日本阪神地震后集中对施工中的基桩震害进行调查 结果发现 那些还没有施工承台的基桩 其桩身也有震害 如图 显然 桩身的裂缝是由于土层位移所致 与上部结构惯性力无关 尚未施工承台的桩身破坏 88 3 桩顶破坏桩顶与承台连接形式一般为桩顶嵌入承台深度5 10cm 桩顶钢筋锚入承台35倍钢筋直径 这种连接呈非理想嵌固状态 在水平地震作用下 桩顶承载力水平剪力和固端弯矩 弯剪应力集中 首先在连接处形成塑性铰 对于荷载大重心高埋深较浅的桩基 桩顶受循环作用的压 拔 弯 剪应力 导致出现桩顶混凝土压碎 钢筋压曲 钢筋拉脱 剪损等破坏形式 如图左2为灌注桩 右2为管桩 89 4 承台震害1995年阪神地震之前 世界各国对承台的震害调查资料相当缺乏 人们对承台在地震下的工作性状也了解甚少 阪神地震后 对承台震害做了专门调查和研究 发现承台在地震下也能破坏 下面介绍两例 实例1 柱下多桩承台的震害该工程为住宅楼 钢 混凝土组合结构 无地下室 PC桩基础 桩长不明 桩径600mm 承台埋深2 25m 地上11层 1987年竣工 本次调查其中的A B两栋 基础平面图 场地土层柱状图 90 BX1与BY1轴相交处承台破坏详图 BY1轴承台拉梁破坏详图 91 实例2 单柱单桩承台与连梁的震害该工程为住宅楼 钢筋混凝土框架结构 无地下室 钢筋混凝土灌注桩基础 桩长不明 桩径1200mm 1400mm 承台埋深2 2m 地上8层 1979年竣工 基础平面图 基础立面图 92 2 液化土中桩基的震害 1 液化而无侧扩情况下的震害1 日本新瀉地震 采用短桩基础的多层公寓楼 因地基土液化而整体倾覆失稳 房屋倾斜达80 a 2 震后数小时至一 二天后 带有超静水孔压的液化土冲破覆盖层 形成喷水冒砂现象 潜存于液化土中的能量释放后 土颗粒开始沉淀 出现土体再固结 对基桩产生负摩阻力形成下拉荷载 桩基由低承台演变为高承台 桩基的竖向承载力和水平承载力均大幅降低 桩基出现整体下沉 b a b 93 3 同一桩基中悬置于液化土中的短桩失效引发偏沉导致长桩折断下图所示天津散装糖库桩基 柱下4桩独立桩基一侧的桩长为18m 另一侧桩长为9m 12m 液化土层深度下界为15m 液化后 导致悬置于液化土层中的9m 12m桩承载力失效而偏沉 进入稳定土层的18m长桩负荷加大且承受偏心弯矩而折断 由此可见 桩端进入液化土层以下稳定土层足够深度是必要的 更应避免同一基础下部分桩悬置于液化土层中 94 4 液化土层中桩基的地面单侧堆载左图所示天津钢厂柱基地面 单侧堆载导致液化土产生侧向推挤而致桩身折断 5 液化而无侧向扩展地基土中的基桩 由于侧向土体约束衰弱 完全靠桩身抵抗地震作用 因此桩顶受压破坏严重 a PC桩纵筋压屈 b PHC桩头压碎 95 3 液化侧扩地基上桩基的震害液化且有侧向扩展的情况 不仅导致液化层范围基桩承载力削弱 基桩还要承受侧扩液化层的侧向推力和水平地震作用 因而液化侧扩地段桩基的震害程度要重于液化而无侧扩的地段 鉴于桩基所受水平推力十分突出 因而桩顶与承台连接处 液化土与非液化土界面 桩的剪力 弯矩高度集中 破坏更严重 其特征表现为桩顶与承台或者桩身上下彻底断裂 并且产生明显错位 此外位于岸边坡地的桩基发生整体失稳的可能性更大 液化侧扩地基上桩基整体震害 96 1 桩身 桩顶的破坏左图为阪神地震中素混凝土桩在桩头的破坏情况 由于地基土液化发生侧向扩展流动 使桩头发生水平直剪破坏 可见采用无筋素混凝土作为地基土的竖向增强体 其在地震设防区无法保证其具备必要的安全度 素混凝土桩桩头剪断 管桩剪断 97 2 液化侧扩区在建桩基 仅施工基桩和部分承台 基桩的震害1976年唐山地震时天津新港海洋石油研究所轮机车单层排架厂房正处于施工阶段 基桩和大部分承台已完工 上部结构尚未开始施工 故桩顶竖向荷载仅为承台自重 厂区位于新港航道南侧临海的新吹含砂新吹填土之上 吹填土厚度约2m 以下为夹粉砂黏土 淤泥质黏土 夹粉砂粉质黏土 粉土 粉砂 地震后发生向东北方向海边的液化侧向扩展 地表裂缝密布 特别是北面临海一侧 地面裂缝宽度一般10cm 最宽达20 30cm 喷水冒砂严重 承台向东向北 东北方向临海 方向发生位移 向东位移最大1 3m 向北位移均超过0 5m 承台向东北倾斜高差一般大于10cm 最大21cm 2桩承台位移和倾斜明显大于4桩承台 基桩为50 x50cm预制方桩和d 68cm的灌注桩 桩长均为26 5m 预制桩主筋为4 22 4 25 灌注桩主筋为8 16 震后选择有代